Verfahren zur Ermittlung der Wirkungsgradkennfelder von Umformmaschinen als Basis für einen effizienten Energieeinsatz in der Umformtechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Vorhabens wurde ein neues „Verfahren zur Ermittlung der Wirkungsgradkennfelder von Umformmaschinen“ entwickelt und erprobt. Hierfür wurde eine Wirkungsgradmessvorrichtung (WMV) gebaut, mit welcher es möglich ist, den prozessabhängigen Wirkungsgrad unterschiedlicher Pressen zu ermitteln. Das Kernelement der Messvorrichtung bildet eine Hydraulische Belastungsvorrichtung (HBV). Diese ermöglicht eine Belastung von Pressen mit variabel gestaltbaren Kraft-Weg-Verläufen bei unterschiedlichen Hubwegen und Hubzahlen. Ein großer Bestandteil des Projektes war die analytische sowie simulative Auslegung der HBV. Darüber hinaus wurde das Systemverhalten der Hydraulikanlage im Rahmen von experimentellen Versuchen erprobt und basierend darauf das Simulationsmodell validiert und die Regelung ausgelegt. Mit Hilfe der WMV wurden die Wirkungsgradkennfelder einer Exzenterpresse und einer Servopresse erfasst und ausgewertet. Basierend auf den Ergebnissen konnte der Einfluss des Hubweges, der Hubzahl, des Umformweges, der maximal aufgebrachten Prozesskraft und der Umformarbeit auf den Wirkungsgrad ermittelt werden. Darüber hinaus wurde die Energie gemessen, welche von den Pressen abhängig von den Maschineneinstellungen zur Durchführung eines Hubes ohne Prozess benötigt wird (Leerhubenergie). Mit deren Hilfe konnte die Verlustenergie berechnet werden, welche während des Pressenbetriebs als Folge des Prozesseinflusses auf die Verlusteffekte in der Presse (z. B. Lagerreibung) entsteht. Die Größen dieser beiden Energien bestimmen die Höhe des Wirkungsgrades. Über den gesamten betrachteten Arbeitsbereich der Servopresse gingen eine Vergrößerung der Hubzahl und eine Verkleinerung des Hubweges mit einer Verbesserung der Energieeffizienz einher. Da diese Einstellungen auch eine Vergrößerung der Ausbringungsrate bewirken, ist davon auszugehen, dass Produktionsprozesse bereits nach Produktivitätsaspekten so energieeffizient wie möglich ausgelegt sind. Ein Potential zur Effizienzsteigerung mittels einer Anpassung der Maschineneinstellungen liegt somit nicht vor. Bei der Exzenterpresse hingegen besteht bei geringen Prozesskräften bzw. Kraftauslastungsgraden das Potential, auf Kosten der Ausbringungsrate eine Steigerung der Energieeffizienz zu erreichen. Dieses beträgt in den betrachteten Fällen allerdings wenige Prozentpunkte (ermittelt wurden bis zu 2,5 %), während die Hubzahl zur Hebung des Potentials um bis zu 30 % reduziert werden muss. Dem reduzierten Energieverbrauch stehen somit höhere Personalkosten bei geringerer Produktivität gegenüber. Die beste Energieeffizienz lässt sich nach wie vor dadurch erzielen, die Presse während der Produktion gut auszulasten. Beim Pressenkauf ist darauf zu achten, die Nennkraft und das Arbeitsvermögen an das angestrebte Produktspektrum anzupassen. Der Vergleich der Wirkungsgradkennfelder der untersuchten Servo- und Exzenterpresse zeigt darüber hinaus, dass die Energieeffizienzen von Pressen an vergleichbaren Arbeitspunkten durchaus 10 % und mehr auseinanderliegen können und die Wirkungsgradkennfelder ein wichtiges Entscheidungskriterium bei der Beschaffung einer neuen Presse sein sollten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Advances in Production Research, Proceedings of the 8th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), Aachen, November 19–20, 2018, S. 532- 540
Koß, J.; Altan, L.; Krimm, R. & Behrens, B.-A.
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Energieeffizienz von Umformmaschinen*/Energy efficiency of forming machines – Method for determining the efficiency maps of forming machines. wt Werkstattstechnik online, 108(10), 646-651.
Krimm, R.; Behrens, B.-A. & Koß, J.
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Wirkungsgrad von Umformpressen schnell und einfach ermitteln, PHI - Produktionstechnik Hannover informiert, 03/2017
Jonas Koß
